X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)課件

第二章X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)返回目錄

2-1X射線的本質(zhì)；

2-2X射線的產(chǎn)生；

2-3X射線譜；

2-4X射線與物質(zhì)相互作用；

2-5X射線的探測與防護(hù)；

返回2-1X射線的本質(zhì)X射線的本質(zhì)是電磁輻射，與可見光完全相同，僅是波長短而已，因此具有波粒二像性。(1)波動性;(2)粒子性。相關(guān)習(xí)題：硬X射線：波長較短的硬X射線能量較高，穿透性較強(qiáng)，適用于金屬部件的無損探傷及金屬物相分析。軟X射線：波長較長的軟X射線能量較低，穿透性弱，可用于分析非金屬的分析。X射線波長的度量單位常用埃（?）或晶體學(xué)單位（kX）表示；通用的國際計量單位中用納米（nm）表示，它們之間的換算關(guān)系為：1nm=10?=m1kX=1.0020772±0.000053A(1973年值)。粒子性特征表現(xiàn)為以光子形式輻射和吸收時具有的一定的質(zhì)量、能量和動量。表現(xiàn)形式為在與物質(zhì)相互作用時交換能量。如光電效應(yīng)；二次電子等。X射線的頻率ν、波長λ以及其光子的能量ε、動量p之間存在如下關(guān)系：

式中h——普朗克常數(shù)，等于6.625×J.s;c——X射線的速度，等于2.998×cm/s.

相關(guān)習(xí)題：

1.試計算波長0.71A（Mo-Kα）和1.54A（Cu-Kα）的X射線束，其頻率和每個量子的能量？

解答產(chǎn)生原理高速運(yùn)動的電子與物體碰撞時，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運(yùn)動受阻失去動能，其中一小部分（1％左右）能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分（99％左右）能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。產(chǎn)生條件1.產(chǎn)生自由電子；2.使電子作定向的高速運(yùn)動;3.在其運(yùn)動的路徑上設(shè)置一個障礙物使電子突然減速或停止。接變壓器玻璃鎢燈絲金屬聚燈罩鈹窗口金屬靶冷卻水電子X射線X射線X射線管剖面示意圖（回車鍵演示）過程演示X射線管的結(jié)構(gòu)封閉式X射線管實(shí)質(zhì)上就是一個大的真空（）二極管?；窘M成包括：

(1)陰極：陰極是發(fā)射電子的地方。

(2)陽極：亦稱靶，是使電子突然減速和發(fā)射X射線的地方。(3)窗口：窗口是X射線從陽極靶向外射出的地方。(4)焦點(diǎn)：焦點(diǎn)是指陽極靶面被電子束轟擊的地方，正是從這塊面積上發(fā)射出X射線。

特殊構(gòu)造的X射線管；

(1)細(xì)聚焦X射線管；

(2)旋轉(zhuǎn)陽極X射線管。

2-3X射線譜

由X射線管發(fā)射出來的X射線可以分為兩種類型：(1)連續(xù)X射線；

(2)標(biāo)識X射線。

連續(xù)X射線具有連續(xù)波長的X射線，構(gòu)成連續(xù)X射線譜，它和可見光相似，亦稱多色X射線。產(chǎn)生機(jī)理；

演示過程；

短波限；

X射線的強(qiáng)度。

產(chǎn)生機(jī)理

能量為eV的電子與陽極靶的原子碰撞時，電子失去自己的能量，其中部分以光子的形式輻射，碰撞一次產(chǎn)生一個能量為hv的光子，這樣的光子流即為X射線。單位時間內(nèi)到達(dá)陽極靶面的電子數(shù)目是極大量的，絕大多數(shù)電子要經(jīng)歷多次碰撞，產(chǎn)生能量各不相同的輻射，因此出現(xiàn)連續(xù)X射線譜。短波限

連續(xù)X射線譜在短波方向有一個波長極限，稱為短波限λ0.它是由光子一次碰撞就耗盡能量所產(chǎn)生的X射線。它只與管電壓有關(guān)，不受其它因素的影響。相互關(guān)系為：式中e——電子電荷，等于靜電單位；V——電子通過兩極時的電壓降（靜電單位）；h——普朗克常數(shù)，等于相關(guān)習(xí)題：相關(guān)習(xí)題試計算用50千伏操作時，X射線管中的電子在撞擊靶時的速度和動能，所發(fā)射的X射線短波限為多少？X射線的強(qiáng)度

X射線的強(qiáng)度是指行垂直X射線傳播方向的單位面積上在單位時間內(nèi)所通過的光子數(shù)目的能量總和。常用的單位是J/cm2.s.X射線的強(qiáng)度I是由光子能量hv和它的數(shù)目n兩個因素決定的,即I=nhv.連續(xù)X射線強(qiáng)度最大值在1.5λ0,而不在λ0處。標(biāo)識X射線

是在連續(xù)譜的基礎(chǔ)上疊加若干條具有一定波長的譜線，它和可見光中的單色相似，亦稱單色X射線。

1.標(biāo)識X射線的特征

;2.產(chǎn)生機(jī)理

;3.過程演示

;4.K系激發(fā)機(jī)理

;5.莫塞萊定律；

6.標(biāo)識X射線的強(qiáng)度特征。

標(biāo)識X射線的特征

當(dāng)電壓達(dá)到臨界電壓時，標(biāo)識譜線的波長不再變，強(qiáng)度隨電壓增加。如鉬靶K系標(biāo)識X射線有兩個強(qiáng)度高峰為Kα和Kβ，波長分別為0.71A和0.63A.K系激發(fā)機(jī)理

K層電子被擊出時，原子系統(tǒng)能量由基態(tài)升到K激發(fā)態(tài)，高能級電子向K層空位填充時產(chǎn)生K系輻射。L層電子填充空位時，產(chǎn)生Kα輻射；M層電子填充空位時產(chǎn)生Kβ輻射。由能級可知Kβ輻射的光子能量大于Kα的能量，但K層與L層為相鄰能級，故L層電子填充幾率大，所以Kα的強(qiáng)度約為Kβ的5倍。產(chǎn)生K系激發(fā)要陰極電子的能量eVk至少等于擊出一個K層電子所作的功Wk。Vk就是激發(fā)電壓。莫塞萊定律

標(biāo)識X射線譜的頻率和波長只取決于陽極靶物質(zhì)的原子能級結(jié)構(gòu)，是物質(zhì)的固有特性。且存在如下關(guān)系：莫塞萊定律：標(biāo)識X射線譜的波長λ與原子序數(shù)Z關(guān)系為：標(biāo)識X射線的強(qiáng)度特征

K系標(biāo)識X射線的強(qiáng)度與管電壓、管電流的關(guān)系為：當(dāng)I標(biāo)/I連最大，工作電壓為K系激發(fā)電壓的3~5倍時，連續(xù)譜造成的衍射背影最小。2-4X射線與物質(zhì)相互作用

X射線與物質(zhì)相互作用時，產(chǎn)生各種不同的和復(fù)雜的過程。就其能量轉(zhuǎn)換而言，一束X射線通過物質(zhì)時，可分為三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透過物質(zhì)繼續(xù)沿原來的方向傳播。X射線的散射

；X射線的吸收

；X射線的衰減規(guī)律；

吸收限的應(yīng)用；

X射線的折射；總結(jié)

。X射線的散射

X射線被物質(zhì)散射時，產(chǎn)生兩種現(xiàn)象：相干散射；非相干散射。相干散射物質(zhì)中的電子在X射線電場的作用下，產(chǎn)生強(qiáng)迫振動。這樣每個電子在各方向產(chǎn)生與入射X射線同頻率的電磁波。新的散射波之間發(fā)生的干涉現(xiàn)象稱為相干散射。非相干散射

X射線光子與束縛力不大的外層電子或自由電子碰撞時電子獲得一部分動能成為反沖電子，X射線光子離開原來方向，能量減小，波長增加。非相干散射是康普頓（A.H.Compton）和我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)等人發(fā)現(xiàn)的，亦稱康普頓效應(yīng)。非相干散射突出地表現(xiàn)出X射線的微粒特性，只能用量子理論來描述，亦稱量子散射。它會增加連續(xù)背影，給衍射圖象帶來不利的影響，特別對輕元素。X射線的吸收

物質(zhì)對X射線的吸收指的是X射線能量在通過物質(zhì)時轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?，X射線發(fā)生了能量損耗。物質(zhì)對X射線的吸收主要是由原子內(nèi)部的電子躍遷而引起的。這個過程中發(fā)生X射線的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)。光電效應(yīng)；

俄歇效應(yīng)。

光電效應(yīng)以X光子激發(fā)原子所發(fā)生的激發(fā)和輻射過程。被擊出的電子稱為光電子，輻射出的次級標(biāo)識X射線稱為熒光X射線。產(chǎn)生光電效應(yīng)，X射線光子波長必須小于吸收限λk。俄歇效應(yīng)原子在入射X射線光子或電子的作用下失掉K層電子，處于K激發(fā)態(tài)；當(dāng)L層電子填充空位時，放出E-E能量，產(chǎn)生兩種效應(yīng)：(1)熒光X射線；(2)產(chǎn)生二次電離，使另一個核外電子成為二次電子——俄歇電子。X射線的衰減規(guī)律

當(dāng)一束X射線通過物質(zhì)時，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的強(qiáng)度衰減。衰減的程度與所經(jīng)過物質(zhì)中的距離成正比。式質(zhì)量衰減系數(shù)μm

表示單位重量物質(zhì)對X射線強(qiáng)度的衰減程度。質(zhì)量衰減系數(shù)與波長和原子序數(shù)Z存在如下近似關(guān)系：K為常數(shù)μm隨λ的變化是不連續(xù)的其間被尖銳的突變分開。突變對應(yīng)的波長為K吸收限。吸收限的應(yīng)用

吸收限主要是由光電效應(yīng)引起的：當(dāng)X射線的波長等于或小于λ時光子的能量E到擊出一個K層電子的功W，X射線被吸收，激發(fā)光電效應(yīng)。使μm突變性增大。吸收限與原子能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)對應(yīng)。如L系有三個副層，有三個吸收限。濾波片的選擇:(1)它的吸收限位于輻射源的Kα和Kβ之間，且盡量靠近Kα。強(qiáng)烈吸收Kβ，K吸收很?。?2)濾波片的以將Kα強(qiáng)度降低一半最佳。

Z靶<40時Z濾片=Z靶-1；Z靶>40時Z濾片=Z靶-2；陽極靶的選擇:（1）陽極靶K波長稍大于試樣的K吸收限；（2）試樣對X射線的吸收最小。Z靶≤Z試樣+1。X射線的折射

X射線從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)產(chǎn)生折射，折射率M非常接近1,M約為0.99999~0.999999。

X射線與物質(zhì)相互作用的總結(jié)熱能透射X射線衰減后的強(qiáng)度I0散射X射線電子熒光X射線相干的非相干的反沖電子俄歇電子光電子康普頓效應(yīng)俄歇效應(yīng)

光電效應(yīng)2-5X射線的探測與防護(hù)

（1)X射線的探測；（2）X射線的安全防護(hù)。

X射線的探測熒光屏法；

照相法；

輻射探測器法：X射線光子對氣體和某些固態(tài)物質(zhì)的電離作用可以用來檢查X射線的存在與否和測量它和強(qiáng)度。按照這種原理制成的探測X射線的儀器電離室和各種計數(shù)器。工作原理在第7章介紹。X射線的安全防護(hù)X射線設(shè)備的操作人員可能遭受電震和輻射損傷兩種危險。電震的危險在高壓儀器的周